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无线无形 信息随身
目录
无线网络基础
1
2
无线射频
3
WLAN频段与信道
4
WLAN相关标准
WLAN关键技术
5
6
WLAN组网设备
7
WLAN拓扑结构
05
WLAN关键技术
1
物理层关键技术
WLAN 传输技术有：
红外线 (Infra Red，IR)
无线电射频技术
无线电射频主要采用扩频技术，扩频技术主要又分为：
跳频扩频技术
直接序列扩频技术
频宽
1
频宽的大小依据要传送的信息量而定
物理层关键技术
FM 信号(175K)
802.11信号(20M)
TV信号(4500K)
频宽(HZ)
用户信号
信号强度
频率
用户信号
信号强度
频率
干扰信号
没有使用扩频技术
使用扩频技术
干扰信号
射频传输方式主要分为窄带传输和扩频传输两类
窄带信号占据的频率范围极窄，针对该频率范围的干扰很容易影响信号
扩频传输采用超出实际所需的带宽发送数据，干扰信号很难影响扩频信号
扩频技术
1
物理层关键技术
802.11物理层技术
1
物理层关键技术
802.11所采用的物理层使用了三种不同的技术：
跳频（Frequency hopping，简称FH或FHSS）
直接序列（Direct sequence，简称DS或DSSS）
正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM ）
跳频扩频
FHSS采用伪随机序列改变载波频率，使载波频率以某种随机样式不断随机跳变，每个子信道只进行瞬间的传输，干扰信号的频率一般不会随载波频率的变化而变化，因此这种通信方式比较隐蔽。一般来说，跳频速率越高，抗干扰性越好，但通信设备的复杂度和成本也越高。只要通信双方按照固定的算法产生相同的伪随机码，就可以把扩频信号还原成原始信号。
1
物理层关键技术
8
7
6
5
4
3
2
1
0
频隙
时隙
干扰信号
数据信号
直接序列扩频
DSSS通过精确的控制将射频能量分散至某个宽频带。当无线电载波的变动被分散至较宽的频带时，接收器可以通过相关处理找出变动所在。DSSS具有明显的优势。采用DSSS技术的扩频信号频带利用率高，谱密度较低，带宽较大，具有很强的抗截获、防侦查、防窃听能力，抗多径干扰能力也很强
1
物理层关键技术
信号强度
频率
直接序列扩频技术
基本原理是在频域内将一个信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流。子载波相互正交，频谱相互重叠，具有较高的频谱利用率。OFDM还能减少子载波间的相互干扰，对抗多径衰落
正交频分复用技术
1
物理层关键技术
频域中的正交性
振幅
频率
OFDM 5GHz 信道示例
1
物理层关键技术
5150
5350
30 MHz
30 MHz
Frequency (MHz)
5320
5260
5240
5220
5200
5280
5300
5180
20 MHz
20 MHz
20 MHz
20 MHz
20 MHz
20 MHz
20 MHz
20 MHz
每个子载波312.5 kHz
48 个子信道用来传数据, 4 个子信道用来做相位参考。
OFDM调制方式：
BPSK（ Binary Phase Shift Keying ）二进制相移键控
QPSK（ Quadrature Phase Shift Keying ）正交相移键控
QAM（Quadrature Amplitude Modulation）正交幅度调制
QAM同时利用了载波的振幅和相位来传递信息
OFDM技术结合QAM调制方式让速率达到54Mbps
OFDM子信道调制技术
1
物理层关键技术
16QAM，64QAM星座图
1
物理层关键技术
相位
振幅
0011
0111
0110
0010
0001
0101
0100
0000
1001
1101
1100
1000
1011
1111
1110
1010
相位
振幅
16 QAM星座图
64 QAM星座图
256 QAM星座图
1
物理层关键技术
相位
振幅
256 QAM星座图
OFDM调制方式
1
物理层关键技术
调制方式 编码率（R） 速率(Mbps)
BPSK 1/2 6
BPSK 3/4 9
QPSK 1/2 12
QPSK 3/4 18
16-QAM 1/2 24
16-QAM 3/4 36
64-QAM 2/3 48
64-QAM 3/4 54
256-QAM 3/4 195
256-QAM 5/6 217
以太网信道访问机制
2
CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）是一种冲突检测和避免的机制，目的是避免多个设备在同一时刻抢占线路的情况
可以从三点来理解 CSMA/CD
MAC层关键技术
CSMA/CD工作过程
2
先听后发
边听边发
冲突停止
随机延迟重发
MAC层关键技术
WLAN信道访问机制
2
CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）
无线介质容易受环境影响
检测到其他站点发送的无线电波
站点没有同时进行数据发送和接收的能力
MAC层关键技术
CSMA/CA工作机制
2
CSMA/CA要求发送站点在发送数据前侦听信道状态。当信道空闲时，发送站点就等待一段随机时间，并在此时间段继续侦听信道。如果等待时间结束后信道仍为空闲，发送站点就发送数据
MAC层关键技术
停止等待
2
发送站点发送完一个单播帧后，要等到接收站点返回的确认帧（即ACK帧）才能继续发送下一帧。如果单播帧遭到破坏而校验失败，那么接收站点不会回复ACK帧
MAC层关键技术
帧间间隔
2
为了尽量避免冲突，IEEE 802.11规定站点在完成一帧的发送后，必须等待一段很短的时间才能发送下一帧。这段时间称为帧间间隔（Inter-Frame Space，IFS）。帧间间隔的长度取决于要发送的帧的类型
MAC层关键技术
SIFS PIFS DIFS
最短的等待时间，最高优先级。 中等等待时间，中等优先级。 等待时间最长，优先级最低。
SIFS
PIFS
DIFS
随机退避机制
2
MAC层关键技术
STA1
退避窗口
退避窗口
STA3
STA4
发送数据
10
9
3
5
7
6
9
2
5
4
7
STA2
发送数据
7
6
2
DIFS
DIFS
DIFS
时间
时间
时间
时间
冻结计时器
隐藏节点
2
无线网络的界线比较模糊，有时候并不是每个节点都可以跟其他节点直接通信。导致节点间发生冲突。隐藏节点指在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的节点
MAC层关键技术
PC1
PC2
AP
冲突
隐藏节点
隐藏节点- RTS/CTS
2
通过RTS/CTS帧在发送数据帧之前先对信道进行预约
双方在成功交换一对RTS/CTS帧后才开始真正交换数据
MAC层关键技术
PC1
PC2
AP
RTS
CTS
CTS
隐藏节点
暴露节点
2
暴露节点是指在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外的节点
MAC层关键技术
AP1
PC2
PC1
AP2
暴露节点
暴露节点- RTS/CTS
2
通过RTS/CTS帧在发送数据帧之前确认信道不会发生冲突
MAC层关键技术
AP1
PC2
PC1
AP2
CTS
RTS
RTS
暴露节点
802.11 帧格式
3
IEEE 802.11中的MAC帧按功能可分为数据帧、控制帧和管理帧三大类。不管是哪种类型的MAC帧，格式上都包括3大部分，即帧头、帧体和帧尾
IEEE 802.11 MAC帧
2
2
6
6
6
6
4
0~2312
Frame Control
Duration ID
Address 1
(receiver)
Address 2
(sender)
Address 3
(filtering)
Seq-ctl
Address 4
(optional)
Frame Body
FCS
2
Frame Control
3
所有帧的开头均是长度2字节的Frame Control （帧控制）位
IEEE 802.11 MAC帧
2
Protocol
Type=Control
Sub Type
To DS
From DS
More Frag
Retry
Pwr Mgmt
More Data
Protected Frame
2
4
1
1
1
1
1
1
1
1
Frame Control
Order
Duration/ID
3
Duration（持续时间）位用来记载网络分配矢量（NAV）的值。访问介质的时间限制是由NAV 所指定
IEEE 802.11 MAC帧
2
2
6
6
6
6
4
0~2312
Frame Control
Duration/ID
Address 1
(receiver)
Address 2
(sender)
Address 3
(filtering)
Seq-ctl
Address 4
(optional)
Frame Body
FCS
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Duration (NAV)
Least significant
Most significant
Address
3
地址字段包含不同类型的MAC地址，地址的类型取决于发送帧的类型
IEEE 802.11 MAC帧
2
2
6
6
6
6
4
0~2312
Frame Control
Duration/ID
Address 1
(receiver)
Address 2
(sender)
Address 3
(filtering)
Seq-ctl
Address 4
(optional)
Frame Body
FCS
2
Sequence Control
3
此位的长度为16 个bit，用来重组帧片段以及丢弃重复帧。它由4 个bit 的fragment number（片段编号）位以及12 个bit 的sequence number（顺序编号）位所组成
IEEE 802.11 MAC帧
2
2
6
6
6
6
4
0~2312
Frame Control
Duration/ID
Address 1
(receiver)
Address 2
(sender)
Address 3
(filtering)
Seq-ctl
Address 4
(optional)
Frame Body
FCS
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
fragment number
sequence number
帧主体
3
帧主体（Frame Body）亦称为数据位，负责在工作站间传送上层数据（payload）。802.11 帧最多可以传送2312 个字节的上层数据
IEEE 802.11 MAC帧
2
2
6
6
6
6
4
0~2312
Frame Control
Duration/ID
Address 1
(receiver)
Address 2
(sender)
Address 3
(filtering)
Seq-ctl
Address 4
(optional)
Frame Body
FCS
2
帧校验序列
3
802.11 帧是以帧检验序列（frame check sequence，简称FCS）作为结束。FCS 让工作站得以检查所收到的帧的完整性
IEEE 802.11 MAC帧
2
2
6
6
6
6
4
0~2312
Frame Control
Duration/ID
Address 1
(receiver)
Address 2
(sender)
Address 3
(filtering)
Seq-ctl
Address 4
(optional)
Frame Body
FCS
2
802.11 帧类型
3
802.11 帧主要有三种类型，即数据帧、控制帧和管理帧
IEEE 802.11 MAC帧
帧类型 帧类型值 帧介绍
数据帧 10 数据帧负责在工作站之间传输数据。数据帧可能会因为所处的网络环境不同而有所差异。
控制帧 01 控制帧通常与数据帧搭配使用，负责区域的清空、信道的取得以及载波监听的维护，并于收到数据时予以正面的应答，借此促进工作站间数据传输的可靠性。
管理帧 00 管理帧负责监督，主要用来加入或退出无线网络，以及处理基站之间连接的转移事宜。
数据帧
3
当帧类型字段值为“10”时，表示该帧为数据帧，不同的子类型标识不同类型的数据帧
数据帧会将上层协议的数据置于帧主体加以传递。会用到哪些位，取决于该数据帧所属的类型
数据帧中4个地址字段的意义与To DS 及From DS有关，地址4字段只在To DS 及From DS均为1时才出现
IEEE 802.11 MAC帧
数据帧- To DS 与From DS
3
根据To Ds和From Ds的值地址字段有如下变化
IEEE 802.11 MAC帧
Function To DS From DS Address 1 Address 2 Address 3 Address 4
IBSS 0 0 DA/RA SA/TA BSSID 未使用
To AP 1 0 BSSID/RA SA/TA DA 未使用
From AP 0 1 DA/RA BSSID/TA SA 未使用
WDS 1 1 BSSID/RA BSSID/TA DA SA
数据帧- To DS 与From DS
3
IEEE 802.11 MAC帧
1
3
2
SA/TA
DA/RA
BSSID用以过滤非此BSS的终端传输信号
SA/TA
DA/RA
4
SA
TA
RA
DA
控制帧
3
控制帧均使用相同的Frame Control（帧控制）位
IEEE 802.11 MAC帧
2
Protocol
Type=Control
Sub Type
To DS
From DS
More Frag
Retry
Pwr Mgmt
More Data
Protected Frame
2
4
1
1
1
1
1
1
1
1
Frame Control
控制帧 - RTS（请求发送）
3
当AP向某个客户端发送数据的时候，AP会向客户端发送一个RTS报文，这样在AP覆盖范围内的所有设备在收到RTS后都会在指定的时间内不发送数据
IEEE 802.11 MAC帧
Frame
Control
Duration
Receiver Address
FCS
Transmitter Address
MAC header
2
2
6
6
4
控制帧 - CTS（允许发送）
3
目的客户端收到RTS后，发送一个CTS报文，在该客户端覆盖范围内所有的设备都会在指定的时间内不发送数据
IEEE 802.11 MAC帧
Frame
Control
Duration
Receiver Address
FCS
MAC header
2
4
2
6
控制帧 - ACK（应答）
3
每个发送的单播报文，接收者在成功接收到发送报文后，都要发送一个应答ACK进行确认
IEEE 802.11 MAC帧
Frame
Control
Duration
Receiver Address
FCS
MAC header
2
4
2
6
控制帧 - PS-Poll
3
当客户端从省电模式中苏醒，便会发送一个PS-Poll 帧给AP，以取得任何暂存帧
IEEE 802.11 MAC帧
Frame
Control
AID
BSSID
FCS
Transmitter Address
MAC header
2
2
6
6
4
管理帧
3
管理帧目的是通过帧的使用，为网络提供相对简单的服务
IEEE 802.11 MAC帧
2
2
6
6
6
4
0~2312
Frame Control
Duration ID
Address 1
(receiver)
Address 2
(sender)
Address 3
(filtering)
Seq-ctl
Frame Body
FCS
2
MAC header

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